مقاله درمورد دانلود سيال، ميدان، جريان

دانلود پایان نامه ارشد

يکي علل داخلي و ديگري منشاء خارجي .در آغاز به بررسي علل داخلي مي پردازيم.
2-7-1 علل داخلي توليد بار:
الکترونها و پروتونها که اجزاء اصلي اتم هستند ، به عنوان اولين نوع بارهاي موجود ميتوانند مورد بررسي قرار گيرند . براساس اصول مکانيک کوانتومي ميدانيم که الکترونها به صورت ابرهايي در اطراف هسته قرار دارند و هر کدام شامل سطوح انرژي مختلفي
ميباشند. بر همين اساس فقط تعداد مشخصي الکترون ميتوانند در يک سطح خاصي از انرژي قرار گيرند. با افزايش سطح انرژي يک الکترون اين سطوح به هم نزديک ميشوند و بالاخره در n=? انرژي الکترون به حدي ميرسد که ميتواند به راحتي از اتم جدا شود.اين فرايند را تحريک الکترون54 گويند. در مولکولها ارتعاشات مولکولي و چرخش آنها نسبت به هم و فرايندهايي از اين قبيل در تحريک اتم و مولکولها نقش بسزايي دارند. اين ملکولها و اتمهاي تحريک شده ميتوانند در سيال واکنشهاي شيميايي گوناگوني دهند . بايد به اين نکته توجه نمود که احتمال واکنشهايي که شامل يون و يا الکترون ميباشند حدود 10 تا 108 مرتبه بيشتر از واکنش گونههاي خنثي ميباشد. اين واکنشها منبع اصلي يونها هستند و ميتوان آنها را به دو بخش تقسيم نمود. بخش اول واکنشهاي يونيزاسيون است که منجر به ايجاد يون هاي مثبت و بخش بعدي واکنشهاي ترکيبي ميباشد که منجر به توليد بارهاي منفي
ميگردد. بيشتر واکنشها ناشي از انرژي گرمايي ، پديده فوتوالکتريک و يا برخورد الکترون ميباشند. بايد متذکر شد که به همين صورت که واکنشها ميتوانند منجر به توليد يون گردند ، فرآيند هايي نيز وجود دارند که باعث خنثي شدن يونها مي شوند. اين واکنش ها را ميتوان به سه قسم تقسيم نمود: 1)برخورد بين يونهاي مثبت و منفي، 2)برخورد يون هاي منفي با اتم ها و يا مولکولهاي خنثي ،3) خنثي شدن به واسطه برخورد با ديواره ها .

2-7-2 علل خارجي توليد بار:
عوامل خارجي توليد بار مربوط به يونها و الکترونهايي است که از خود سيال نميباشند و ناشي از عللي همچون وجود ناخالصي وتزريق از الکترودها است . ناخالصيهاي موجود در سيال را نيز ميتوان به دو قسم طبقه بندي کرد : ترکيب هاي يوني55 و ذرّات جامد رسانا يا نارسانا56 . بنابراين علل خارجي توليد بار شامل وجود ترکيبات يوني ، تزريق در سطح الکترود وذرّات معلّق ميباشند. وجود الکتروليتها در سيال ديالکتريک که به صورت اسيدها ، نمکها و ساير ترکيبات ميباشند ، ميتوانند نقش بزرگي را در رسانايي آن سيال ايفا کنند . حل کردن يک الکتروليت در سيال غير قطبي منجر به ايجاد يونهاي آزاد در سيال ميگردد. در اين حالت يک فرايند دو مرحلهاي در الکتروليتها اتفاق مي افتد که به صورت زير ميباشد:
2-15

در نبود ميدان الکتريکي اين فرايند حالت تعادل دارد ، اما با اعمال ميدان الکتريکي و يا با افزايش دما اين تعادل به سمت راست تمايل پيدا ميکند و در نتيجه ميزان يونهاي آزاد در سيال افزايش مييابد. لذا آگاهي نسبت به ميزان تعادل اين فرايند براي پي بردن به تعداد بارهاي آزاد در سيال بسيار حائز اهميت است . در صورت اعمال ميدان الکتريکي ، به صورت تدريجي با افزايش شدّت ميدان ،تعادل ترموديناميکي واکنش از بين ميرود. در اين حالت ثابت ترکيب Kr بدون تغييير باقي ميماند و فقط ثابت جدايش Kd با اعمال ميدان افزايش مييابد ،پس در کل واکنش به سمت راست تمايل پيدا ميکند.تزريق الکترون در سطح الکترود به روشها و دلايل متفاوتي صورت ميگيرد و معمولا در ميدان هاي پائين صورت نميگيرد. تجمع يوني در مجاورت سيال غالباً يکي از اين دلايل ميباشد که روند تزريق را آسانتر ميسازد . وجود سطوح تيز نيز از دلايل اصلي تزريق است که ميتوان از آن نام برد. ولتاژ شروع اين مرحله به پارامترهاي زيادي از جمله خواص سيال، هندسه الکترودها و غيره بستگي دارد. تزريق به روشهاي گوناگون ممکن است اتفاق بيافتد. بسته به نوع پلاريته الکترود تزريق به دو صورت ميتواند انجام پذيرد ،انتشار ميدان57 و يونيزاسيون ميدان58. انتشار در الکترود منفي (کاتد) ايجاد ميشود ولي يونيزاسيون در مجاورت الکترود مثبت (آند) . در هردو مورد ابتدا شکل لايه EDL از بين ميرود. مکانيزمهاي ديگري نيز وجود دارند که در اينجا مجال بررسي آنها نميباشد. به طور کلي همه سيالات تجاري داراي ذرّات ناخالصي ميباشند که در پروسه فيلتر کردن سيال و خالص سازي ، در سيال باقي ميمانند . همانطور که بيان شد علاوه بر علل ذکر شده بعنوان عوامل خارجي توليد بار ، ذرّات جامد رسانا يا نارسانا معلق در سيال از ديگر منشاء هاي وجود بار ميباشند . بررسي رفتار ذرّات در سيال دي الکتريک و در ميدان الکتريکي بحث بسيار گستردهاي است که غالبا با عنوان شاخه الکتروفرسيس از آن ياد ميشود. در حقيقت با اعمال ميدان ،در اطراف ذرّات معلق در سيال يک لايه EDL ايجاد ميگردد که باعث ايجاد يک دي پل القايي در هر ذره ميگردد و اين باعث باردار شدن ذره و در نتيجه حرکت به سوي الکترودها ميشود.از طرفي ديگر اگر اين ذرّات رسانا و يا نيمه رسانا باشند، ممکن است در اثر برخورد با الکترودها باردار شوند مقدار باري که اين ذرّات ميتوانند حمل کنند از اين رابطه بدست ميآيد( نفوذ پذيري سيال و R شعاع ذره ميباشد) :
2-16

2-8 موبيليته:
با توجه به مطالب بيان شده پيرامون بارهاي موجود در سيال ، ميتوان گفت اصلي ترين بارها ،الکترونها، يونها و ذرّات معلق
ميباشند. وقتي که ميدان به يک ذره باردار موجود در سيال وارد ميشود ،اين ذره شتاب گرفته و بعد از طي مسافتي به سرعت حدي U در راستاي ميدان ميرسد . بنا بر اين مقدمه موبيليتي به صورت زير تعريف ميگردد :
2-17

واحد موبيليته به صورت cm2V-1s-1 است . روشهاي گوناگوني براي اندازه گيري موبيليتي وجود دارد . در کل معمول ترين روش براي اندازه گيري موبيليتي الکترون و يا يون ها روش time-of-flight ميباشد که شامل اندازه گيري زماني است که يک بار طول مي کشد که فاصله مشخصي را در يک ميدان الکتريکي بپيمايد. براي اندازه گيري موبيليتي الکترون نياز به يک محيط کاملا خالص داريم و از طرفي احتمال اتصال (Attachment) الکترون به مولکول هاي ديگر نيز ميباشد ،لذا هرچه طول اندازهگيري ما کوچکتر باشد ،دقت نتايج نيز بالاتر است. عوامل بسياري بر موبيليتي الکترون تأثيرگذار ميباشند :
ساختار مولکولي : يکي از تأثيرگذارترين مؤلفهها بر موبيليتي الکترون ، ساختار مولکولي سيال است. در اينجا به چند نمونه اشاره ميکنيم . به عنوان مثال در آلکانهاي معمولي موبيليته الکترون با افزايش طول زنجيره مولکولي کاهش مييابد و يا شاخه دار شدن زنجيره هاي هيدروکربني سبب افزايش موبيليته ميشود .
دما : موبيليته الکترون در سيالات هيدروکربني معمولا با دما رابطه مستقيمي دارد .
ميدان الکتريکي : در ميدان هاي پائين يک رابطه تقريبا خطي بين سرعت الکترون و ميدان وجود دارد ولي با افزايش شدّت ميدان اين رابطه انحراف مييابد .
اگرچه بررسي هاي علمي درباره موبيليته در هيدروکربنها و ساير سيالات انجام شده ، ولي داده هاي تجربي داراي پراکندگي زيادي ميباشند . از ديدگاه تئوري تنها مدل حرکت يونها در سيال ، حرکت کرهاي است با شعاع R در سيالي لزج با لزجت . در اينجا نيروي الکتريکي وارد شده بوسيله ميدان الکتريکي E در تعادل با نيروي ناشي از لزجت ميباشد (قانون استوکس) .
2-18

بنابراين :

2-19
موبيليته متأثر از لزجت و اندازه يونها و دي پلهاي دائمي سيال قطبي بر حرکت يون اثر ميگذارد . طبق بررسي هاي انجام شده ميتوان اين موبيليته را از رابطه زير محاسبه نمود(?رسانايي سيال ، n تمرکز بار و Z مقدار بار هر يون است) :
2-20

بررسي ذرّات جامد معلق در سيال همانند يونهاي ديگر ميباشد با اين تفاوت که در اين حالت بارهايي که به سطح ذره ميچسبند ، توده ابري از بارهاي مخالف در سيال را به خود جذب ميکند. و تشکيل يک لايه EDL ميدهند که در حرکت ذره بسيار تأثيرگذار است. براي بيان ساده حرکت ذره فرض مي کنيم که نيروي خارجي وارد به ذره از طرف ميدان الکتريکي در تعادل است با نيروي درگ (Drag Force) وارد بر آن . بر اين اساس ميتوان رابطه زير را بدست آورد:
2-21

نمايانگر پتانسيل زيتا ميباشد که در لايه EDL تعريف ميگردد و تقريبا برابر پتانسيل صفحه جدا کننده دو لايه Stern و Diffuse است . در رابطه بالا مهمترين فرض اين است که شکل لايه EDL در حرکت ذره تغييري ايجاد نکند . بنابراين در ميدان هاي بالا و يا در سرعتهاي بالاي ذره از رابطه بالا نميتوان استفاده نمود. ذرّات در سيالات ديالکتريک ميتوانند رسانا ،نيمه رسانا و يا نارسانا باشند. ذرّات رسانا معمولا توسط الکترودها در لحظه شکست ايجاد ميشوند .ذرّات نيمه رسانا اغلب در نتيجه تجزيه مولکولي در فرايند شکست پديد ميآيند و در نهايت ذرّات نارسانا در فرايندهاي توليد سيال و يا در مراحل قبل از شکست وارد سيال ميشوند. گروه ديگري از ذرّات، قطرات آبي هستند که در سيال غيرقطبي معلق ميباشند . در آزمايشات معمولا هنگامي که حرکت سيال اجازه گسترش يافتن دارد، به جاي موبيليته حقيقي يونها ، موبيليتي الکتروهيدروديناميکي EHD? اندازه گيري ميشود .
2-22

2-9 جريان هاي الکتريکي در سيالات دي الکتريک :
2-9-1 اصل بقاي بار :
بار نيز همانند جرم داراي بقاست ،اگرچه برخلاف جرم ، داراي دو نوع مثبت و منفي است و از طرفي ميتواند خنثي گردد. يک حجم بسته را فرض کنيد که بار داخل آن برابر Q باشد. يک جريان بار ميتواند به اين حجم وارد يا خارج شود و باعث افزايش و يا کاهش بار داخلي گردد . بنابراين :
2-23

شکل2-4: حجم کنترل جريان
در اينجا i را جريان الکتريکي ميگوييم که واحد آن کلمب بر ثانيه ميباشد .اصل بقاي بار را ميتوان به صورت ديگري نيز نوشت ، البته با تعريف مفهوم جديدي بنام دانسيته جريان J که برابر است با نسبت جريان بر واحد سطح . با توجه به اين مطالب ميتوان نوشت
2-24

در رابطه بالا انتگرال سطح وقتي مثبت است که دانسيته جريان به سمت خارج باشد . فرم ديفرانسيلي اصل بقاي بار به صورت زير
ميباشد. طرف راست معادله فقط هنگامي صفر ميباشد که منبع و يا چاه بار نداشته باشيم.
2-25

2-9-2 جريان الکتريکي در سيالات غير قطبي :
دانسيته جريان در بيشتر موارد متأثر از ميدان اعمالي بر سيال ميباشد و همانطور که ذکر گرديد ناشي از انواع بارهاي موجود در سيال، خواه ذرّات معلق بار دار ،خواه يون هاي ناشي از جدايش الکتروليت ها در سيال و موارد ديگر . در کل رابطه بين دانسيته جريان و ميدان اعمالي در بيشترمايعات غير قطبي و گازها به صورت زير ميباشد :چهار روند در جريان وجود دارد .اول ، ناحيهاي که در آن جريان رابطهي خطي با ميدان الکتريکي دارد (ناحيه اهمي59) .دوم ناحيهاي که دانسيته جريان نسبت به ميدان الکتريکي به نقطه اشباع ميرسد و تقريبا ثابت ميماند .(ناحيه اشباع60) ،سوم ناحيهاي که دانسيته جريان با افزايش ميدان به شدّت افزايش مييابد و در نهايت مرحله چهارم که در آن شکست61 اتفاق ميافتد . در منطقه اهمي ميدان و دانسيته جريان رابطه خطي دارند . ضريب اين رابطه را رسانش سيال62 مي ناميم که با ? نشان داده ميشود :
2-26

2-27

2-28

2-29

در اين رابطه u سرعت سيال است و در صورتي که سيال در سکون باشد مقدار آن صفر ميگردد. نکتهاي که بايد توجه نمود اين است که رسانايي يک سيال تابعي از تعداد يونها و موبيليته آنها ميباشد . با اعمال ميدانهاي بالاتر اين رابطه تغيير مييابد و رابطهي خطي از بين ميرود. يکي از اصليترين ناخالصيهايي که در بيشتر سيالات غيرقطبي وجود دارد آب است . اگر مقدار آب از حد حلاليت سيال بگذرد به صورت قطرات آب درميآيد. زير اين مقدار ميتوان آب را به صورت مولکول هاي حل شده در نظر گرفت که تحت تأثير ميدان الکتريکي و جدايش اثر زيادي بر رسانايي سيال ميگذارند . براي يک بررسي ساده بر نقش جدايش الکتروليتها در دانسيته جريان که در دو ناحيه اول و دوم بسيار تأثيرگذارند ، ميتوان سه روند را در نظر گرفت(c برابر ميزان تمرکز کل الکتروليت) :
اول توليد يون ها بوسيله جدايش ميباشد :
2-30

دو

پایان نامه
Previous Entries مقاله درمورد دانلود الكتريكي، ميدان، پلاريزاسيون Next Entries مقاله درمورد دانلود ميدان، الكتريكي، نيروي